KR19990028877A

KR19990028877A - 회전자 손실이 감소된 자기 베어링

Info

Publication number: KR19990028877A
Application number: KR1019980700179A
Authority: KR
Inventors: 로이 에스 콜비; 즈비그뉴 피츠
Original assignee: 레비스 스테픈 이; 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1999-04-15
Also published as: JP2000501817A; US5821656A; EP0832368A2; WO1997002732A3; WO1997002732A2; CA2226663A1

Abstract

감소된 제어 자속 유도 회전자 손실이 감소된 자기 베어링은 제 1 회전자(14)와, 제 1 위상(A)의 코일(150 내지 156)과 제 2 위상(B)의 코일(160 내지 166)을 그 둘레에 감는 복수개의 슬롯(S1 내지 S16)을 갖는 고정자(12)를 구비한다. 권선 형상은 사인곡선이며 갭(15)을 따라 임의의 위치를 향하여 배향될 수 있는 이극성 자기장을 회전자/고정자 갭(15) 둘레에 제공한다. 이 형상은 갭내 제어 자 속의 불연속이거나 첨예한 변화를 최소하기 때문에 회전자 손실을 감소시킨다. 또한 고정자 치형부 갭(g1)은 회전자/고정자 갭(15)을 따라 평활한 자속 분포를 제공하기 위해서 최소화된다. 더 많은 위상 그리고 더 많거나 또는 더 적은 슬롯이 사용될 수 있다.

Description

회전자 손실이 감소된 자기 베어링

자기 베어링은 서로에 대해 동심되게 위치되어 있는 회전 부재(회전자)와 고정 부재(고정자)를 포함하고 있으며, 자기 베어링과 그와 관련된 제어 회로가 회전하는 회전자와 고정 고정자사이의 반경방향 또는 측방향 간격을 제어한다는 것은 주지된 사실이다. 예를 들면, 고정자가 회전자의 내측에 동심되게 위치될 수 있으며 또는 그 반대로 회전자가 고정자의 내측에 동심되게 위치될 수도 있다. 또한, 주지된 바와 같이, 자기 베어링은 제어 회로에 의해 제어되므로써 고정자 주위에 감겨진 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 조정가능한 전자기력을 이용하여 고정자와 회전자사이의 간격을 조절한다.

특히, 레이디얼 자기 베어링은 동심되게 위치된 고정자와 회전자사이의 반경방향 간격을 조절한다. 회전자에 반경방향의 힘이 작용될 때, 전자기력은 고정자와 회전자사이의 갭이 그 원주에 걸쳐 거의 일정한 동일 값을 유지하도록 조절되어야만 한다. 또한, 거리 센서가 갭의 거리를 측정하여 제어 회로에 입력 신호를 제공하므로써 코일을 흐르는 전류의 조절에 의해 전자기력을 조절한다.

또한, 가변 전자기 제어 자속에 부가하여, 자기 베어링은, 주지된 바와 같이, 베어링 제어를 향상시키며(예컨대, 전류-힘 관계를 선형화시키며) 요구되는 전기력을 감소시키는 일정한 DC 바이어스 자속을 추가로 가질 수도 있다. 바이어스 자속은 영구 자석이나 전자석에 의해 형성될 수 있다.

레이디얼 자기 베어링에 가변 전자기 제어력을 가하기 위해 사용되는 전류 기술중 하나는 외부 반경방향 힘에 대항하는 전자기 자속을 형성하도록 하나 또는 그 이상의 코일에 전압을 인가하는 것이다. 코일에 전압을 가하는 일반적 기술 및 코일의 형상은 미크(Meeks)에게 허여된 발명의 명칭이 "자기 베어링 구조체"인 미국 특허 제 5,111,102 호 및 말스키(Malsky)에 허여된 발명의 명칭이 "고속 저손실 마찰 방지 베어링 조립체"인 미국 특허 제 5,179,308 호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 기술 및 형상은 갭 주위의 각도 위치의 함수로서 갭을 따라 형성된 자속 분포에 불연속 즉 급격한 변화를 야기한다. 이러한 급격한 자속 변화는 회전자내에 밈돌이 전류 및 히스테리시스 손실을 초래하는 데, 이것은 회전자에 전자기 인력을 유발하고 회전자내에 열을 발생시키므로써, 효율을 저하시킨다. 또한, 회전자의 속도가 빠를수록 손실이 커지므로, 예컨대, 에너지 저장 플라이 휠 장치에 적용하는 고 속의 회전자에서는 이러한 손실이 중요한 의미를 가질 수 있다.

또한, 회전자내의 열의 증가는 회전자내에 끼워질 수 있는 영구 자석의 자성을 없앨 수 있다. 또한, 회전자가 예컨대, 에너지 저장 플라이 휠 장치용 고립된 진공 챔버내에 위치되는 경우, 회전자를 냉각하는 것이 어렵게 될 수 있다. 따라서, 이러한 손실을 감소시키는 것은 회전자내에 발생된 열의 감소와 직접적인 연관이 있다.

따라서, 이러한 회전자 손실을 나타내지 않는 자기 베어링을 제공하는 것이 바람직하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 회전자 손실이 감소된 자기 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 고정자와, 상기 고정자에 대해서 동심으로 배치되어 있으며, 상기 고정자에 대해서 회전하고 상기 고정자와의 사이에 회전자/고정자 갭을 갖는 회전자와, 상기 갭을 따른 임의의 점을 향해 배향될 수 있는 배향성의 이극성 자기장 분포를 상기 갭을 따라 제공하며 상기 고정자상에 배치된 권선 수단을 포함하는 자기 베어링이 제공된다.

추가로 본 발명에 따르면, 상기 권선 수단은 적어도 두 개의 위상을 포함하는 자기 베어링이 제공된다.

추가로 본 발명에 따르면, 상기 갭을 따른 이극성 자기장 분포는 실질적으로 사인곡선인 자기 베어링이 제공된다.

추가로 본 발명에 따르면, 상기 고정자가 복수개의 고정자 치형부와 복수개의 고정자 슬롯을 포함하며 상기 슬롯은 각각 인접한 상기 고정자 치형부 사이에 있고, 회전자/고정자 갭의 슬롯은 회전자내의 손실을 최소화시키도록 최소 간격으로 설정되는 자기 베어링이 제공된다.

본 발명은, 회전자/고정자 갭 자속의 많은 불연속을 방지하는 이극성 자기장 분포를 제공하는 개선된 제어 권선(즉, 코일) 구조를 갖는 자기 베어링을 제공하므로써 종래의 것에 비해 현저한 개선점을 나타낸다. 회전자 손실의 감소는 맴돌이 전류 및 히스테리시스 손실의 감소를 포함하여, 이러한 손실과 연관된 전자기 인력 및 열발산을 감소시킨다. 또한, 본 발명은 고정자의 치형부의 수 및 코일 구동 위상의 수와 관계없는 이극성 코일 구조에 적용된다. 또한, 본 발명의 이극성 자기 제어 자속 필드 분포는 코일 위상에 공급되는 전류를 조절하므로써 갭원주 주위의 어느 위치에도 관계될 수 있다. 사용된 치형부의 수가 많을수록 사인파형이 보다 매끄러워지고 회전자내의 손실이 적어진다. 또한, 본 발명은 자속 분포의 매끄러움을 최소화하는 것을 돕도록 회전자/고정자 갭에서의 고정자 치형부 갭을 최소화시키는 고정자 적층 박판 형상과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 양호한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.

본 발명은 자기 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자 손실이 감소된 자기 베어링에 관한 것이다.

도 1은 바이어스 자속 경로를 나타내는, 4개의 고정자 치형부를 갖는 종래의 자기 베어링의 측면도,

도 2는 4개의 고정자 치형부를 나타내는, 도 1의 자기 베어링의 평단면도,

도 3은 한 고정자 치형부를 따라 작용하는 힘에 대해서, 도 1 및 도 2의 4 치형부 고정자에 대한 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프,

도 4는 두 고정자 치형부사이에서 작용하는 힘에 대해서, 도 1 및 도 2의 4 치형부 고정자에 대한 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 권선 형태를 갖는 16 치형부 고정자를 구비하는 자기 베어링의 평단면도,

도 6은 본 발명에 따른 권선 접속을 나타내는 도 5의 16 치형부 고정자의 측면 배치도,

도 7은 본 발명에 따른 전류 방향을 나타내는 도 5의 16 치형부 고정자의 평면 배치도,

도 8은 본 발명에 따른, 한 위상에 전압이 인가된 도 5의 16 치형부 고정자 자기 베어링의 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프,

도 9는 본 발명에 따른, 두 위상에 전압이 인가된 도 5의 16 치형부 고정자 자기 베어링의 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프,

도 10은 본 발명에 따른, 두 위상 시스템의 각 상에 대해 요구되는 힘 및 자속 벡터를 나타내는 벡터 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 권선 형태를 갖는 12 치형부 고정자를 구비하는 자기 베어링의 평단면도,

도 12은 본 발명에 따른 권선 접속을 나타내는 도 11의 12 치형부 고정자의 측면 배치도,

도 13은 본 발명에 따른 전류 방향을 나타내는 도 11의 12 치형부 고정자의 평면 배치도,

도 14는 본 발명에 따른, 한 위상에 전압이 인가된 도 11의 12 치형부 고정자 자기 베어링의 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프,

도 15는 본 발명에 따른, 두 위상에 전압이 인가된 도 11의 12 치형부 고정자 자기 베어링의 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프,

도 16은 본 발명에 따른, 3 위상 시스템의 각 상에 대해 요구되는 힘 및 자속 벡터를 나타내는 벡터 그래프,

도 17은 본 발명에 따른, 3 위상에 전압이 인가된 도 11의 12 치형부 고정자 자기 베어링의 회전자/고정자 갭을 따라 형성되는 제어 자속의 그래프이다.

도 1을 참조하면, 종래의 레이디얼 자기 베어링(10)은 고정 부재 즉 고정자(12)와, 회전 부재 즉 회전자(14)와, 고정자(12)의 외경과 회전자(14)의 내경사이의 갭(15)을 포함한다. 고정자(12)는, 예컨대 Rotelloy 5(등록 상표) 코발트 자기강과 같은 우수한 고주파 응답 특성을 갖는 고급 저손실 고 도자성(導磁性) 전기강(high grade low-loss high permeability electrical steel)으로 제조되어 중앙에 위치되는 복수의 적층 박판(16)을 포함한다. 각 박판층(16)의 두께는 약 0.004" 내지 0..10"(0.010 내지 0.0254㎝)이고 모든 적층된 박판(16)에 대한 총 두께는 약 3㎝이다. 필요에 따라, 박판 두께, 적층된 박판 총 두께, 및 재질을 달리 할 수 있다. 회전자/고정자 에어갭(15)에 대한 간격은 0.005" 내지 0.020"일 수 있으며, 몇몇 플라이휠 적용에 대해 예컨대, 0.0002"의 정확도로 제어될 수 있다. 관련된 적용에 따라, 필요시에는 다른 갭 크기가 이용될 수 있다.

적층 박판(16)은 두 개의 영구 자석(18, 20)사이에 개재되어 있으며, 각각의 영구 자석(18, 20)은 토로이드(toroidal) 즉 도우넛 형상을 갖는다. 필요시에는 다른 형상의 영구 자석이 적용될 수 있다. 고정자의 중앙에는 중공부(22)가 존재하며, 이러한 중공부(22)는 속이 채워질 수도 있다.

영구 자석(18, 20)의 S극은 각각 지지 아암(24, 26)의 일 단부의 일측면에 결합되어 있으며, N극은 적층 박판(116)의 대향하는 측면에 결합되어 있다. 지지 아암(24, 26)의 타 단부는 고정자(12)의 외경의 일부를 구성한다. 아암(24, 26)은 Arnon 5(등록상표)이나 AISI 1018 강과 같은 고 강도 고 도자성 저손실 강으로 제조된다. 필요에 따라, 아암(24, 26)은 다른 재질로 제조될 수 있다.

영구 자석(18, 20)은, 각각의 고정자 치형부에서 회전자(14)와 고정자(12)사이에 인력을 제공하는 일정한 직류 자기장 바이어스(Ф_b)를 제공한다. 자석(18)에 대한 바이어스 자속 경로(또는 회로)는 이점쇄선(28)으로 표시되어 있는 데, 영구 자석(18)의 N극을 나와 적층 박판(16)을 따라 진행하며 갭(15)을 지나 지지 부재(24)로 들어가서 영구 자석(18)의 S극으로 돌아오므로써 영구 자석(18)에 대한 자기 회로 자속 경로를 완료한다. 대칭적 자기 바이어스 자속 회로가, 이점쇄선(30)으로 표시된 바와 같이, 영구 자석(20)에 대해서도 존재한다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 와이어 즉 코일(31, 32, 33, 34)이 적층 박판(16)주위에 감겨져 있다. 전자기 바이어스 자속을 형성하기 위해 고정자 치형부의 일부 또는 전부에 감겨진 코일을 이용하거나 영구 자석과 같은 도우넛 형상의 별도의 전자석내의 코일을 이용하여 바이어스 자속을 제공하는 것은 주지되어 있다. 이 경우, 영구 자석(18, 20)은 필요하지 않다.

그 외의 일반적인 자기 베어링 형상이 미크(Meeks)에게 허여된 발명의 명칭이 "자기 베어링 구조체"인 미국 특허 제 5,111,102 호, 말스키(Malsky)에 허여된 발명의 명칭이 "고속 저손실 마찰 방지 베어링 조립체"인 미국 특허 제 5,179,308 호, 스투더(Studer)에게 허여된 발명의 명칭이 "자기 베어링"인 미국 특허 제 3,865,442 호 및 발명의 명칭이 "선형 자기 베어링"인 미국 특허 제 4,387,935 호에 개시되어 있다.

도 2를 참조하면, 고정자(12)내의 적층 박판(16)은 코일(31, 32, 33, 34)이 각각 감겨지는 4개의 치형부(35, 36, 37, 38)을 갖는다. 고정자는 필요에 따라 그 이상 또는 그 이하의 치형부를 가질 수 있다. 코일(31, 32, 33, 34)에는 전류가 흐르는 데, 이러한 전류는, 후술되는 바와 같이, 바이어스 자속과 결합하여 외부 반경방향 힘을 보상하는 제어력을 생성하는 가변 전자기장을 발생시킨다.

또한, 갭(15)이 적층 박판(16)의 치형부(35, 36, 37, 38)의 중심부 또는 그 부근의 4개소에서 측정된다. 특히, 측정된 거리는 고정자(12)주위의 반시계방향으로 y₁, x₁, y₂, x₂로 나타내어져 있다. 필요에 따라, 4개소 이상 또는 그 이하의 지점에서 갭을 측정할 수 있다. 전자기력은 고정자(12)의 원주에 걸쳐 갭(15)을 균일하게 유지하도록 회전자(14) 또는 고정자(12)에 작용하는 외부힘에 대항하여 작용한다. 예를들면, 도 2에서, 외부의 반경방향 힘이 화살표(42)로 지시된 바와 같이 회전자(14)가 하방으로 힘을 받도록 작용하면, 갭 간격(y₂)이 갭 간격(y₁)보다 커지게 될 것이다. 이 경우, 갭(y₁)을 지나는 바이어스 자속(Ф_b)과 반대 방향이며 갭(y₂)을 지나는 바이어스 자속(Ф_b)과 동일한 방향인 제어 자속(Ф_b)을 생성하도록 하는 방향으로 코일(31, 32)에 전류가 흐른다. 그 결과, 갭(y₁)을 지나는 전체 인력은 감소되고 갭(y₂)을 지나는 전체 인력은 증가되어 갭(y₁)과 갭(y₂)이 같아진다. 동일한 형태로, 갭 거리(x₂)가 갭 거리(x₁)보다 커지도록, 화살표(43)로 지시된 바와 같이, 수평의 반경방향 힘이 회전자에 작용하면, 갭(x₂)을 지나는 바이어스 자속(Ф_c)과 동일한 방향이며, 갭(x₁)을 지나는 바이어스 자속(Ф_c)과 반대 방향인 제어 자속(Ф_c)을 생성하도록 코일(31, 32)에 전류가 흐른다. 이러한 제어 자속(Ф_c)의 방향은 갭(x₂)을 지나는 인력은 증가시키며 갭(x₁)을 지나는 인력은 감소시켜 갭(x₁)과 갭(x₂)이 같아지도록 한다.

갭(y_1,y₂)을 조절하는 제어 자속을 생성하는 코일(31, 32)을 흐르는 전류는, 상기 예에서, 상부 고정자 치형부(35)를 따라 하방으로 배향되며 고정자의 철심(back iron)을 따라 거의 동일한 두 개의 경로로 분할된 뒤 고정자(12)의 하부 치형부에서 다시 결합되는 이점 쇄선(39)으로 표시되어 있다. 자속 경로(39)는 갭(y₂)을 가로질러 지난 뒤 거의 동일한 두 개의 경로로 분할되어 회전자의 반원주 주위를 지나 그 뒤 다시 합쳐져서 갭(y₁)을 가로질러 고정자(12)의 상부 치형부(35)에 이른다. 적층 박판(29)이 회전자(14)에 적용되면, 제어 자속(Ф_c)은 대부분 적층 박판(29)내에 남게된다.

마찬가지로, 갭(x_1,x₂)을 조절하는 제어 자속(Ф_c)을 생성하는 코일(33, 33)내의 전류는, 상기 예에 대해서, 자속(Ф_c)이 이점 쇄선(39)으로 지시된 바와 같이 고정자의 치형부(34)를 따라 우측에서 좌측으로 전파되며 고정자의 철심을 따라 거의 동일한 두 개의 경로로 분할된 뒤 고정자(12)의 좌측 치형부(38)에서 다시 결합된다. 자속(39)과 유사하게, 자속(40)은 갭(x₂)을 가로질러 지난 뒤 거의 동일한 두 개의 경로로 분할되어 회전자의 반원주 주위를 지나 그 뒤 다시 합쳐져서 갭(x₁)을 가로질러 고정자(12)의 우측 치형부(37)에 들어간다. X와 Y 방향사이에서 가해지는 외부 회전자 힘에 대항하기 위해, (후술되는 바와 같이) 양 코일 세트로부터의 제어 자속의 결합이 이용될 수 있다.

코일(31, 32)은 서로 직렬로 연결되어 인가되는 전압에 의해 Y 방향의 제어 자속(Ф_c)을 생성한다. 마찬가지로, 코일(33, 34)은 서로 직렬로 연결되어 인가되는 전압에 의해 X 방향의 제어 자속(Ф_c)을 생성한다. 대안적으로, 코일(31, 32, 33, 34)은 개별적으로 전압이 인가될 수도 있으며, 또한 필요시에는 바이어스 자속(Ф_b)이 반대방향, 즉 내측 반경방향으로 배향될 수도 있다. 이 경우 제어 자속(Ф_c)의 방향이 역으로 될 것이다. 또한, 필요시에는 바이어스 자속(Ф_b)이 사용될 필요가 없으며 제어 자속(Ф_c)만이 회전자에 대한 힘을 생성하는 데 이용될 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 외부 힘이 화살표(42)로 지시된 바와 같이 회전자에 Y-방향 하측으로 작용하며 회전자가 고정자(12)주위를 360。 회전할 때 회전자/고정자 에어갭(15)내의 제어 자속(Фc)(또는 자속 분포 또는 자속 밀도)을 회전자(14)상의 한 점(50)에서 보는 경우, 제어 자속(Ф_c)은 ±Ф_c1에서 0에 가까운 값까지 일련의 큰 변화를 나타낸다. 이 경우, 코일(31)은 바이어스 자속에 반대되는 제어 자속(Ф_c)을 생성하도록 전압이 인가되며, 코일(32)은 바이어스 자속과 같은 방향의 제어 자속(Ф_c)을 생성하도록 전압이 인가되고, 코일(33, 34)은 전압이 인가되지 않는다. 여기에서 사용되는 용어 자속(Ф)은 상황에 따라 자속, 자속 분포, 자속 밀도(Ф/면적)을 나타낸다.

특히, 점(50)이 고정자 치형부(35)의 맞은 쪽에 위치될 때, -Ф_c1의 크기를 갖는 제 1 펄스(100)가 회전자에 의해 나타내어 진다. 일반적으로, 반경방향 외측으로의 자속은 양의 값으로 표시되고 반경방향 내측으로의 자속은 음의 값으로 표시된다. 점(50)이 치형부(35, 37)사이, 치형부(37)의 맞은 쪽, 및 치형부(37, 36)사이에 위치될 때, 회전자는 영역(102)에 의해 나타내어지는 바와 같이 낮은(예컨대 0에 가까운) 값의 자속을 나타낸다. 점(50)이 고정자 치형부(36)의 맞은쪽에 위치될 때, Ф_c1의 크기를 갖는 제 2 펄스(104)가 회전자에 의해 나타내어 진다. 마찬가지로, 점(50)이 치형부(36, 38)사이, 치형부(38)의 맞은 쪽, 및 치형부(38, 35)사이에 위치될 때, 회전자는 영역(106)에 의해 나타내어지는 바와 같이 낮은 값의 자속을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같은 사각파 대신에 파형의 모서리가 둥글게 될 수 있음을 이해하여야 한다.

따라서, 회전자(14)의 1회전동안, 회전자상의 (점(50)과 같은) 소정의 점이 제어 자속에 다수(전술한 예에서는 예컨대 4개)의 큰 급격한 변화를 나타낸다. 이러한 자속 변화는 배경기술에 대한 설명에서 전술된 바와 같이 회전자에 열 및 토오크(전자기 인력)를 유발하는 맴돌이 전류 및 히스테리시스 손실을 야기한다. 회전자의 회전속도가 빠를수록 이러한 손실이 커진다. 10,000rpm이상의 속도에 대해, 이러한 손실은 중요한 의미를 갖는다. 또한, 제어 자속의 변화가 급격할수록 이러한 손실에 기여하는 고주파가 회전자내에 많이 발생된다.

변형예로서, 도 2와 도 4를 참조하면, 선(44)에 의해서 지시되는 바와 같이 상기 실시예에 대한 회전자상의 힘 벡터가 반경 외향(즉, X와 Y축 사이의 -45도 방향임)을 가르키는, 고정자의 치형부(38, 35) 사이의 중간에 있는 경우에, 모두 4개의 코일이 여자될 수 있을 것이다. 특히, 코일(31, 34)은 제어 자속(Φ_c)을 바이어스 자속(Φ_b)과 반대 방향으로 형성하도록 여자될 것이며, 코일(33, 32)은 제어 자속(Φ_c)을 바이어스 자속과 같은 방향으로 형성하도록 여자되어 X와 Y축 사이의 -45도 방향으로의 인력을 증대시킨다. 그 경우에, 회전자와 고정자간의 공기갭(15)내 자기 제어 자속(Φ_c)을 회전자(14)상의 점(50)으로 나타내는 경우에, 회전자가 고정자(12) 주위를 시계방향으로 360도 회전함에 따라, 제어 자속(Φ_c)이 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 ±Φ_c1값으로부터 0에 가까운 값의 큰 변화를 보여준다.

특히, 점(50)이 고정자 치형부(35) 맞은편에 있을 때, -Φ_c1의 크기를 갖는 제 1 펄스(110)가 회전자에 의해서 나타난다. 점(50)이 치형부(35, 37)간에 있을 때, 회전자는 영역(112)에 의해서 나타내지는 바와 같이, 작은 자속 값(예를들면, 0에 근사)을 보여준다. 점(50)이 고정자 치형부(37) 맞은편에 있을 때, Φ_c1의 크기를 갖는 제 2 펄스(114)가 회전자에 의해서 나타난다. 이와 마찬가지로, 점(50)이 치형부(37, 36)간에 있을 때, 회전자는 영역(116)에 의해서 나타내지는 바와 같이, 작은 자속 값을 보여준다. 점(50)이 고정자 치형부(36) 맞은편에 있을 때, Φ_c1의 크기를 갖는 제 3 펄스(122)가 회전자에 의해서 나타난다. 이와 마찬가지로, 점(50)이 치형부(36, 38)간에 있을 때, 회전자는 영역(120)에 의해서 나타내지는 바와 같이, 작은 자속 값을 보여준다. 점(50)이 고정자 치형부(38) 맞은편에 있을 때, -Φ_c1의 크기를 갖는 제 4 펄스(118)가 회전자에 의해서 나타난다. 끝으로, 점(50)이 치형부(38, 35)간에 있을 때, 회전자는 영역(124)에 의해서 나타내지는 바와 같이, 작은 자속 값을 보여준다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 사각파 대신에 파형의 모서리가 둥그렇게 될 수 있다.

그러므로, 회전자(14)의 일회전에 대하여, 회전자 상의 소정의 점[점(50)과 같음]이 제어 자속에서 다수개(예컨데, 전술된 실시예에서는 8개)의 큰 급변화를 나타낸다. 이들 자속 변화는 전술한 바와 같이 회전자상에 열과 토오크(전자기적 저항)을 유도하는 와전류와 히스테리시스 손실을 회전자에 야기한다.

도 5와 도 6을 참조하면, 본 발명의 자기 레이디얼 베어링은 실질적으로 사인 곡선으로 배향가능한 이극성 자기장을 제어 자속(Φ_c)에 공급함으로써 상기 제어 자속 유도 회전자 손실을 최소화하는 코일의 권선 구조를 가진다. 또한, 도 1과 도 2와 함께 전술한 바와 같이 베어링은 16 치형부 고정자와, 고정자 치형부 각각으로부터 반경반향 외향으로 배향되는 영구 자석 바이어스 자속(Φ_b)을 가진다. 전술한 바와 같이, 경우에 따라서, 바이어스 자속의 방향은 역전될 수 있다. 특히, 자기 베어링은 대향 슬롯을 통해서 감겨지는 4개의 코일(150, 152, 154, 156)을 포함하는 제 1 위상(A)을 갖는 2 위상 권선 구조를 갖는다. 보다 상세하게는, 위상(A)에 대하여, 코일(150)은 슬롯(S1, S6)을 통해서 감겨지고, 코일(152)은 슬롯(S16, S7)을 통해서 감겨지고, 코일(154)은 슬롯(S15, S8)을 통해서 감겨지고, 코일(156)은 슬롯(S14, S9)을 통해서 감겨진다. 도 6에 나타내지는 바와 같이, 위상(A)의 코일(150 내지 156)은 또한, 위상(A)을 형성하고 그리고 위상(A) 전압원(157)에 의해서 구동되도록 직렬, 병렬, 또는 이들을 혼합하여 접속되어 있다. 또한 권선 구조는 나머지 대향 슬롯을 통해서 감겨지는 4개의 코일(160, 162, 164, 166)을 포함하는 제 2 위상(B)을 가진다. 보다 상세하게는, 위상(B)에 대하여, 코일(160)은 슬롯(S2, S13)을 통해서 감겨지고, 코일(162)은 슬롯(S3, S12)을 통해서 감겨지고, 코일(164)은 슬롯(S4, S11)을 통해서 감겨지고, 코일(166)은 슬롯(S5, S10)을 통해서 감겨진다. 도 6에 나타내지는 바와 같이, 위상(B)의 코일(160 내지 166)은 또한, 위상(B)을 형성하고 그리고 위상(B) 전압원(157)에 의해서 구동되도록 직렬, 병렬, 또는 이들을 혼합하여 접속되어 있다. 본 명세서의 배경 기술에서 전술한 바와 같이, 실제 실시예에서 전압원(157, 158)은 갭 거리 센서로부터 측정된 공기갭 거리에 근거하여 각 위상에 공급될 전류의 양을 계산하는 제어 회로(도시안함)내에 접속되어 있을 수 있을 것이다.

고정자 치형부 디자인은 본 명세서와 같은 시기에 출원된 발명의 명칭이 "감소된 바이어스 자속 유도 회전자 손실을 갖는 자기 베어링(Magnetic Bearing with Reduced Bias-Flux-Induced Rotor Loss)"인 미국 특허 출원 번호 제―호(UTC Docket No. R-3888)에 개시되어 있는 임의의 실시예와 동일할 수 있다. 다른 고정자 치형부 디자인은 경우에 따라서는 예를들어, 반경방향으로 돌출된 정방형 치형부 또는 갭(15) 근처에서 원둘레 방향으로 돌출된 헤드 영역을 갖는 반경방향으로 돌출된 직립한 치형부를 사용할 수 있다(전술한 미국 특허 출원에 개시된 바와 같음). 그러나, 치형부 갭(g1)이 최소화되면, 갭(15)의 원주방향을 따른 합성 제어 자속 분포는 보다 매끄럽게 근접하는 이극성 자기장 사인파를 나타내기 때문에, 제어 자속 유도 회전자 손실을 최소화한다.

도 7을 참조하면, 선(180)에서 절단되고 평면(도 6과 같음)으로 펼쳐진 도 5의 16개의 치형부 고정자(12)의 평면도가 도시되어 있다. 소정 슬롯(S1 내지 S16)을 통하여 지면상으로 나오도록 흐르는 전기적 전류는 도트(·)에 의해서 표시되며 소정 슬롯(S1 내지 S16)을 통하여 지면내로 들어가도록 흐르는 전기적 전류는 크로스(×)로 표시되어 있다. 도 5를 참조하면, 소정 위상용 제어 자속의 방향은 그 위상에 대한 코일용 선(150 내지 156, 160 내지 166)에 대하여 수직하다. 특히, 양의 위상(A)에 대한 제어 자속의 방향은 화살표(179)로 표시되어 있으며, 양의 자속(B)에 대한 제어 자속의 방향은 화살표(181)로 표시되어 있다.

이제 도 5 내지 도 8을 참조하면, 힘이 회전자에 대해 화살표(182) 방향으로 작용하면(도 5), 전류가 위상(A)으로 흐를 것이며, 힘(182)의 방향이 위상(A)에 대한 자속에 대하여 평행하기 때문에 위상(B)으로는 흐르지 않을 것이다. 위상(A)에 대하여 제공된 전류는 코일(150 내지 156)의 각각에 대하여 동일하다. 도 8을 참조하면, 코일(150 내지 156)의 각각을 통하여 흐르는 전류에 의해서 갭에 발생하는 제어 자속은 개별적으로 곡선(200 내지 206)에 의해서 각기 나타내어진다. 곡선(200 내지 206)의 0 위의 영역은, 화살표(186)로 지시되는 바와 같이(도 5), 도 7에 도시되어 있는 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)을 가로질러 방향 외측으로(바이어스 자속과 같은 방향)으로 돌출되는 제어 자속을 나타내기 때문에, 갭(15)의 그 영역에서 회전자/고정자 인력을 증가시킨다. 대칭적으로, 곡선(200 내지 206)의 0 아래의 영역은, 화살표(188)로 지시되는 바와 같이(도 5), 도 7에 도시되어 있는 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)을 가로질러 반경 내향으로 돌출되는(바이어스 자속에 반대 방향임) 제어 자속을 나타내기 때문에, 갭(15)의 그 영역에서 회전자/고정자 인력을 감소시킨다.

총 자속이 갭(15)에 걸쳐 보존되기 때문에, 곡선(200)의 0 위 영역은 곡선(200)의 0 아래 영역과 동일해야만 한다. 특히, 코일(150)과 그 관련 자속 곡선(200)에 대해서, 치형부(S1 내지 S6)간에 발생된 자속분포(또는 자속밀도)를 도 7에서 좌로부터 우로 S1으로부터 S6까지로 보았을 때(또는 도 5에서 시계방향으로 S1으로부터 S6까지로 보았을 때) 큰 값을 가지며, 치형부(S6 내지 S1)간에 발생된 자속밀도는, 도 7에 좌로부터 우로 S6으로부터 S1까지로 보았을 때(또는 도 5에서 시계방향으로 S6으로부터 S1까지로 보았을 때) 상기 곡선의 값보다 작은 값을 가지는데 이는 자속이 분포되어 있는 갭 면적(특히, 길이)이 더 크기 때문이다. 도 8에 나타난 바와 같이, 유사한 관계가 코일(152 내지 156)과 관련 자속 곡선(202 내지 206)에 각기 존재한다.

곡선(200 내지 206)이 모두 합해진 경우, 위상(A)에 의해서 유도되는 갭(15)내 총 합성 자속이 파선(210)으로 나타내지고 있다. 실제 실시예에 있어서, 파형(200 내지 206)의 모서리를 둥글리면, 합성 자속 곡선은 점선(212)에 의해서 지시되는 바와 같이 사인파에 근사될 것이다. 파형(212)의 양의 절반은 제 1 자기장 극성을 띠며 파형(212)의 음의 절반은 제 2 자기장 극성을 띤다. 양 극성은 회전자에 작용하는 힘(182)에 대항하는 데 도움을 준다. 따라서, 회전자(14)가 회전할 때, 회전자상의 점(50)과 같은 소정의 점이 실질적으로 평활한 두 개의 극성의 자기장을 보여줄 것이며 이에 의해서 제어 자속내의 큰 불연속성을 감소하거나 또는 소거하는 한편 갭(15)내에서의 제어 자속 방향의 변화의 수를 또한 최소화한다. 그러므로, 본 발명은 제어 자속 유도 회전자 손실을 감소시킨다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 두 개의 극성을 갖는 제어 자속장은 코일에 공급되는 전류를 조정함으로써 갭(15)의 원주둘레의 임의의 위치에 대하여 배향할 수 있으므로 코일에 의해서 발생된 자속은 두 개의 위상(A, B)을 가진다. 특히, 선(190)에 도시된 바와 같이(도 5), 힘이 위상(A)[화살표(179)]과 위상(B)[화살표(181)] 코일의 자속 방향간에 45도 방향으로 회전자(14)에 작용하면, 양 위상(A, B) 자속이 힘에 대항하는데 요구된다. 특히, 위상(A)에 대한 합성 자속 곡선은 곡선(230)에 의해서 나타내지며, 위상(B)에 대한 합성 자속 곡선은 곡선(232)에 의해서 나타내진다. 실선(234)에 의해서 나타내지는 바와 같이, 갭(15)내 자속은 두 위상 자속 곡선(230, 232)의 합일 것이다. 실제 자속은 둥그렇게 나타날 것이며 전체 곡선은 점선(236)에 의해서 나타내지는 바와 같이 사인파에 근사될 것이다. 전술한 바와 같이, 곡선(236)의 0 위 영역은 도 7에 도시된 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)를 가로질러 반경 외향으로 돌출된(바이어스 자속과 동일 방향임) 제어 자속이 화살표(192)에 의해서 지시되는 바와 같이(도 5) 나타내어지며 이에 의해서 갭(15)의 그 영역내 회전자/고정자 인력이 증가된다. 대칭적으로 곡선(236)의 0 아래 영역은 도 7에 도시된 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)를 가로질러 반경 내향으로 돌출된(바이어스 자속과 반대 방향임) 제어 자속이 화살표(194)에 의해서 지시되는 바와 같이(도 5) 나타내어지며 이에 의해서 갭(15)의 그 영역내 회전자/고정자 인력이 감소된다.

전술한 바와 같이, 도 10을 참조하면, 두 개의 극성을 갖는 제어 자속은 위상(A, B)의 코일에 의해서 발생되는 전류를 조정함으로써(따라서 전류가 코일을 통해 흐름) 갭(15)의 원주둘레의 임의의 위치에 대하여 배향할 수 있다. 이것은 두 개의 벡터(179, 181)이 90도로 떨어져 배향될 때 위상(A, B)을 나타내게 도시될 수 있다. 통상, 코일에 의해서 발생되는 자속은 코일을 관통하여 흐르는 전류에 비례한다. 상기 도 8의 제 1 실시예에서 처럼, 힘 벡터(F)가 위상(A)에 대한 자속 경로를 따라 유일하다면, 위상(A) 자속만이 사용되고 전류의 값은 위상(A)을 따르는 힘(F)의 크기에 의해서 결정되어 진다. 도 9의 실시예에서와 같이, 힘 벡터(F)가 두 위상(A, B)간의 각도(θ)로 배향되면, 위상(A, B)에 요구되는 전류의 량은 힘 벡터(F)의 벡터 성분일 것이다. 특히, 두 위상계에 대해서, 위상(A)에 대한 전류는 F^*Sin(θ)이며 위상(B)에 대한 전류는 F^*Cos(θ)이다. 어떤 힘 벡터를 얻기위해서, 도 5, 도 6, 및 도 7에 도시된 것으로부터 역으로 할 필요가 있을 수 있다는 것을 이해해야만 한다.

또한, 회전자(14)의 일부분이 회전자의 다른 부분보다 더(혹은 조금) 반경 외향력을 미치도록 회전자내에 불균형이 있으면, 예를들어, 회전자의 일부분이 더 무거우면, 회전자를 회전시키는 힘 벡터가 있을 것이다. 이 경우, 본 발명은 또한 종래기술에 비해 회전자 손실을 감소시킨다. 특히, 본 발명은 불평형력을 발생시키게는 회전자의 영역에 회전하는 자기 극성의 자속 분포를 제공한다. 그러므로, 회전자는 언제나 동일한 제어 자속을 나타내므로 이에 의해서 회전자 손실을 최소화한다.

이제 도 11과 도 12를 참조하면, 본 발명의 3 위상 코일 권선을 갖는 12개의 고정자 치형부가 도시되어 있다. 특히, 3 위상 권선 형상은 대향 슬롯을 관통해서 감겨지는 2개의 코일(300, 302)을 포함하는 제 1 위상(A)을 가진다. 보다 상세하게는, 위상(A)에 대하여, 코일(300)은 슬롯(S1, S8)을 통해서 감겨지고, 코일(302)은 슬롯(S2, S7)을 통해서 감겨진다. 도 12에 나타내지는 바와 같이, 위상(A)의 코일(300, 302)은 또한, 위상(A)을 형성하도록 직렬, 병렬, 또는 이들을 혼합하여 접속되어 있다. 마찬가지로, 권선 형상은 나머지 대향 슬롯을 관통해서 감겨지는 2개의 코일(304, 306)을 포함하는 제 2 위상(B)을 가진다. 보다 상세하게는, 위상(B)에 대하여, 코일(304)은 슬롯(S3, S10)을 통해서 감겨지고, 코일(306)은 슬롯(S4, S9)을 통해서 감겨진다. 도 12에 나타내지는 바와 같이, 위상(B)의 코일(304, 306)은 또한, 위상(B)을 형성하도록 직렬, 병렬, 또는 이들을 혼합하여 접속되어 있다. 마찬가지로, 권선 형상은 나머지 대향 슬롯을 관통해서 감겨지는 2개의 코일(308, 310)을 포함하는 제 3 위상(C)을 가진다. 보다 상세하게는, 위상(C)에 대하여, 코일(308)은 슬롯(S5, S12)을 통해서 감겨지고, 코일(310)은 슬롯(S6, S11)을 통해서 감겨진다. 도 12에 나타내지는 바와 같이, 위상(C)의 코일(308, 310)은 또한, 위상(C)을 형성하도록 직렬, 병렬, 또는 이들을 혼합하여 접속되어 있다. 고정자 치형부 디자인은 도 5를 참조로 전술한 것과 동일하다.

도 13을 참조하면, 선(314)에서 절단되고 평면(도 12와 같음)으로 펼쳐진 도 11의 12개의 치형부 고정자의 평면도가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 소정 슬롯(S1 내지 S12)을 통하여 지면상으로 나오도록 흐르는 전기적 전류는 도트(·)에 의해서 표시되며 소정 슬롯(S1 내지 S12)을 통하여 지면내로 들어가도록 흐르는 전기적 전류는 크로스(×)로 표시되어 있다. 도 11을 참조하면, 소정 위상에 대한 제어 자속의 방향은 그 위상에 대한 코일용으로 도 11에 도시된 선에 대하여 수직하다. 특히, 양의 위상(A)에 대한 제어 자속의 방향은 화살표(316)로 표시되어 있으며, 음의 자속(B)[즉, 위상(-B)]에 대한 제어 자속의 방향은 화살표(317)로 표시되어 있으며, 양의 자속(C)에 대한 제어 자속의 방향은 화살표(318)로 표시되어 있다.

이제 도 11 내지 도 14를 참조하면, 힘이 회전자(14)상에서 선(320) 방향으로 작용하면(도 11), 전류가 위상(A)으로 흐를 것이며, 힘(320)의 방향이 위상(A)에 대한 자속의 방향(316)에 대하여 평행하기 때문에 위상(B)과 위상(C)으로는 흐르지 않을 것이다. 또한, 위상(A)에 대하여 제공된 전류는 위상(A)의 코일(300, 302)의 각각에 대하여 동일하다.

도 14를 참조하면, 개별적으로 코일(303, 302)의 각각을 통해서 흐르는 전류에 의해서 갭(15)에 발생하는 제어 자속이 각각 곡선(350, 352)로 지시된다. 도 8과 함께 전술한 바와 마찬가지로, 곡선(350, 352)의 0 위의 영역은 화살표(322)로 지시되는 바와 같이(도 11) 도 13에 도시되어 있는 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)을 가로질러 반경방향 외측으로 돌출되는 제어 자속을 나타내기 때문에, 갭(15)의 그 영역에서 회전자/고정자 인력을 증가시킨다. 대칭적으로는 곡선(350, 352)의 0 아래 영역은 화살표(324)로 지시하는 바와 같이(도 11) 도 13에 도시되어 있는 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)을 가로질러 반경 내향으로 돌출되는(바이어스 자속에 반대 방향임) 제어 자속을 나타나기 때문에, 갭(15)의 그 영역에서 회전자/고정자 인력을 감소시킨다.

전술한 바와 같이, 0 위 곡선(352) 아래의 영역은 0 아래 곡선(352)의 영역과 동일해야만 한다. 특히, 코일(302)과 그 관련 자속 곡선(352)에 대해서, 치형부(S2 내지 S7)간에 발생되고, 도 13에 좌로부터 우로 S2으로부터 S7까지로 보이는(또는 도 11에서 시계방향으로 S2으로부터 S7까지로 보임) 자속 분포(또는 자속 밀도)가 큰 값을 가지며, 치형부(S7 내지 S2)간에 발생되고, 도 13에 좌로부터 우로 S7으로부터 S2까지로 보이는(또는 도 11에서 시계방향으로 S7로부터 S2까지로 보임) 자속 분포가 상기 곡선의 값보다 작은 값을 가지는데 자속이 분포되어 있는 갭 면적(특히, 길이)이 더 크기 때문이다. 유사한 관계가 코일(300)과 관련 자속 곡선(350)이 각기 도 14에 나타난 바와 같이 존재한다.

곡선(150, 152)이 모두 합해지면, 위상(A)에 의해서 유도되는 갭(15)내 총 합성 자속이 파선(356)에 의해서 나타내지고 있다. 실제 실시예에 있어서, 파형(350 내지 352)의 모서리를 둥글리면, 합성 자속 곡선은 점선(358)에 의해서 지시되는 바와 같이 사인파에 근사될 것이다. 파형(358)의 양의 절반은 제 1 자기장 극성을 띠며 파형(358)의 음의 절반은 제 2 자기장 극성을 띤다. 양 극성은 회전자에 미치는 힘(320)을 계산하는 것을 도와준다. 따라서, 회전자(14)가 회전할 때, 회전자상의 점(50)과 같은 소정의 점이 실질적으로 평활한 두 개의 극성의 자기장을 보여줄 것이며 이에 의해서 제어 자속내의 큰 불연속성을 감소하거나 또는 소거하는 한편 갭(15)내에서의 제어 자속 방향의 변화의 수를 또한 최소화한다. 그러므로, 본 발명은 제어 자속 유도 회전자 손실을 감소시킨다.

도 15를 참조하면, 두 개의 위상의 16 치형부 고정자와 함께 전술한 바와 마찬가지로, 본 발명의 두 개의 극성을 갖는 제어 자속장은 코일에 공급되는 전류를 조정함으로써 갭(15)의 원주둘레의 임의의 위치에 대하여 배향할 수 있으므로 코일에 의해서 발생된 자속은 3개의 위상(A, B, C)을 가진다. 특히, 선(326)에 의해서 도시된 바와 같이(도 11), 힘이 위상(A)과 위상(-C) 코일의 자속 방향간에 30도 방향으로 회전자(14)에 작용하면, 위상(A)과 위상(C)이 자속이 힘을 계산하는데 필요하지만, 힘(326)이 위상(B)(또는 -B)에 대한 자속 방향(317)(도 11)에 대하여 수직하기 때문에 위상(B)가 필요하지는 않다. 특히, 위상(A)에 대한 합성 자속 곡선은 곡선(360)에 의해서 나타내지며, 위상(-C)에 대한 합성 자속 곡선은 곡선(362)에 의해서 나타내진다. 실선(364)에 의해서 나타내지는 바와 같이, 갭(15)내 자속은 두 위상 자속 곡선(360, 362)의 합일 것이다. 실제 자속은 둥그렇게 나타날 것이며 전체 곡선은 점선(366)에 의해서 나타내지는 바와 같이 사인파에 근사될 것이다.

전술한 바와 같이, 곡선(366)의 0 위 영역은 화살표(328)로 지시되는 바와 같이(도 11) 도 13에 도시된 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)를 가로질러 반경방향 외측으로 돌출된(바이어스 자속과 동일 방향임) 제어 자속을 나타내며 이에 의해서 갭(15)의 그 영역내 회전자/고정자 인력이 증가된다. 대칭적으로 곡선(366)의 0 아래의 영역은 화살표(330)에 의해서 지시되는 바와 같이(도 11) 도 13에 도시된 갭(15)의 대응 부분에서 갭(15)를 가로질러 반경 방향 내측으로 돌출된(바이어스 자속과 반대 방향임) 제어 자속이 나타내어지며 이에 의해서 갭(15)의 그 영역내 회전자/고정자 인력이 감소된다.

전술한 바와 같이, 도 16을 참조하면, 두 개의 극성을 갖는 제어 자속은 위상(A, B, C)의 코일에 의해서 발생되는 전류를 조정함으로써(따라서 전류가 코일을 통해 흐름) 갭(15)의 원주둘레의 임의의 위치에 대하여 배향할 수 있다. 이것은 3개의 벡터(316, 317, 318)가 120도로 떨어져 배향될 때 위상(A, B, C)을 나타내게 도시될 수 있다. 통상, 코일에 의해서 발생되는 자속은 코일을 관통하여 흐르는 전류에 비례한다. 상기 도 11의 제 1 실시예에서 처럼, 힘벡터(F)가 위상(A)에 대한 자속을 따라 유일하면, 위상(A) 자속이 사용되고 전류의 값은 위상(A) 축만을 따르는 힘(F)의 크기에 의해서 결정되어 진다. 도 15의 제 2실시예에서와 같이, 힘 벡터(F)가 두 위상(A, -C)간의 각도(θ)로 배향되면, 위상(A, C)에 요구되는 전류의 량은 힘 벡터(F)의 벡터 성분일 것이다. 도 15의 실시예에 도시된 바와 같이 어떤 힘 벡터를 얻기위해서, 3개의 위상(A, B, C)의 일부 또는 전부의 전류를 도 11, 도 12, 및 도 13에 도시된 것과 역으로 할 필요가 있을 수 있다는 것을 이해해야만 한다.

또한, 코일을 통과하는 전류( 따라서 자속)용으로 정해진 극성은 경우에 임의적이며 일부 또는 전체가 경우에 따라서 역전될 수 있다. 예를들면, 코일(308, 310)를 통과하는 전류가 역전되었다면, 위상(-B)은 위상(+B)으로서 규정될 수 있을 수도 있을 것이다. 3개의 위상(A, B, C)용으로 요구되는 자속은 이극성의 자기장을 생성하기 위해서 관련 방정식의 그룹에 의해서 규정될 것이라는 것이 이해되어져야 한다. 특히, 도 16에서 0도가 선(326)으로서 정해진다면, 즉 여기서 0 자속 효과과 위상(B)으로부터 발생되면, 그때 다음의 방정식의 세트가 전류를 정하며 따라서 그 위상에 대한 관련 자속이 정해진다:

위상(B) 자속 = M^*Sin(θ)

위상(A) 자속 = M^*Sin(θ+120°)

위상(C) 자속 = M^*Sin(θ-120°)

여기에서 M은 힘(F)을 계산하기 위해서 필요한 피크 자속을 제공하는 각 위상의 자기력을 조정하는 자기력 승수이다. 그러므로, 소정의 힘 벡터(F)에 대하여, 상기 힘을 계산하기 위한 위상(A, B, C)에 대한 한 세트의 자속 벡터가 존재한다.

보다 상세하게는, 이제 도 16과 도 17을 참조하면, 변형예로서, 힘 벡터(320)가 위상(A) 자속선(316)(θ = -30도)을 따라 배향되는 도 14의 실시예에서, 각각의 위상에 대한 제어 자속(그리고 대응하는 구동 제어 전류)이 식 1 내지 식 3에 의해서 정해진 바와 같이 설정되면, 위상(B, A, C)에 대해서 각각 자속은 -0.5, 1.0, -0.5일 수 있을 것이다. 위상(A) 자속은 파선(380)에 의해서 나타내지며, 위상(B) 자속은 선(382)에 의해서 나타내지며, 위상(C) 자속은 선(384)에 의해서 나타내어진다. 갭내 총 제어 자속은 실선(386)에 의해서 나타내어진다. 전술한 바와 같이, 실제 자속은 둥그렇게 될 것이며 전체 곡선은 점선(388)에 의해서 나타내어지는 바와 같이 사인파에 근사될 것이다. 도 14와 도 17를 비교하면, 도 14의 단하나의 위상에 비해서 3개의 위상을 사용한 합성 곡선(388)이 도 14의 곡선보다 더 사인 곡선적일 것이다. 그러나, 도 14의 외곽선은 어떤 실시예에 대해 허용가능할 것이다.

본 발명에 따른 0.658㎝의 치형부 갭(g1)과, 갭(15)의 1.317㎝의 고정자 치형부 폭(W1)과, 약 2㎝의 회전자 두께와, 10.16㎝의 회전자 외직경과, 0.05㎝의 보통 회전자/고정자 공기갭(15)을 3개의 다른 회전자 속도에서 갖는 도 5의 16 치형부 고정자 권선 형상에 대한 회전자 손실과 회전자에 걸리는 4개의 다른 외부 부하가 표 1에 도시되어 있다. 이들 손실은 4.78㎝의 치형부 갭(g1)과, 갭(15)의 3.22㎝의 고정자 치형부 폭(W1)과, 그 나머지 크기는 도 5에 대해 전술한 바와 실질적으로 같은 도 1 내지 도 4와 함께 본 명세서에서 설명하는 종래 기술과 비교한다. 또한 표 1에서 본 발명과 종래 기술을 비교하기 위해 사용된 재료는 도 1과 도 2와 함께 종래기술에 대해 전술한 바와 같다.

본 발명이 12 치형부 고정자와 16 치형부 고정자를 사용하는 것처럼 설명되었지만, 더 많거나 더 적은 치형부가 경우에 따라서 사용될 수 있다. 그러나, 치형부의 수가 더 적을 수록, 더 간단하고 단차형인 이극성 자속 사인파형이 나타날 수 있고 보다 고주파 성분이 유도되기 때문에 회전자 손실이 더 커질 것 이다. 역으로, 고정자 치형부가 더 많아질수록, 사인파형이 더 평활해지고 방향 제어가 더 바람직해진다.

또한, 둘 또는 그 이상의 임의의 위상이 경우에 따라서 사용될 수 있다. 또한, 각 위상에 대한 코일의 수, 코일 권선 패턴의 유형, 및 사용된 고정자 슬롯의 수가 전술한 바에 제한되지 않으며, 제공된 권선 형상이 갭 둘레의 임의의 점에 대하여 배향될 수 있는 이극성 자기장 분포를 갭을 따라서 제공한다. 특히, 본 발명자는 다위상(둘 또는 그 이상의 위상) 유도 모터 또는 동위상의 모터용으로 사용되는 코일 형상이 상기 모터가 회전 자기장을 제공할 때 사용될 수 있다. 가용 권선 형상을 개시하는 몇가지 책 샘플로서 미국 오하이오주 신시네티 주립 대학에서 1994년 12월 펴낸 알 잉겔만(R. Engelman) 등의 "전기 모터 핸드북", 미국 뉴욕주 소재의 마셀 덱스터 인코포레이티드(Marcel Dexter Inc)에서 1989년 펴낸 피. 코크란(P. Cochran)의 "다위상 유도 모터; 분석, 디자인, 응용", 맥그로 힐(McGraw Hill)에서 1992년 펴낸 씨. 베이노트(C. VeInott) 등의 "세부적인 마력 전기 모터"를 들 수 있다.

또한, 자기장의 형태가 순수한 사인파일 필요는 없다. 예를들면, 자기장은 삼각형, 계단형 사인곡선, 또는 본 명세서에서 설명한 조건을 만족하는 다른 형상일 수 있다.

또한, 고정자와 회전자의 방향성은 본 발명의 동작을 한정하지 않는다(즉, 회전자는 고정자 내측에 동심으로 배치될 수 있다)는 것이 이해되어져야 한다. 또한, 회전자와 고정자는 서로 동일한 방향으로 또는 다른 방향으로 회전할 수 있다. 또한, 바이어스 자속이 사용되면, 본 명세서에 개시된 것과 다른 바이어스 자속의 형상과 방향, 영구 자석, 및 층판이 사용될 수 있다.

외부 부하 = 35 LBS :

회전자속도→	17.000 rpm	27.670 rpm	35.000 rpm
손실(W) ↓	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명
맴돌이 전류	27	2	43	3	54	5
히스테리시스	17	3	39	6	58	9
총 손실	44	5	82	9	112	14
개선 :		9 : 1		8.5 : 1		8 : 1

외부 부하 = 70 LBS

회전자속도→	17.000 rpm	27.670 rpm	35.000 rpm
손실(W) ↓	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명
맴돌이 전류	33	4	52	6	68	9
히스테리시스	19	10	42	17	63	23
총 손실	52	14	94	23	131	32
개선 :		3.7 : 1		4 : 1		4 : 1

외부 부하 = 105 LBS

회전자속도→	17.000 rpm	27.670 rpm	35.000 rpm
손실(W) ↓	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명
맴돌이전류	40	6	64	11	81	18
히스테리시스	22	21	49	36	73	45
총 손실	62	27	113	47	154	63
개선 :		2. 4 : 1		2.4 : 1		2.4 : 1

외부 부하 = 140 LBS

회전자속도→	17.000 rpm	27.670 rpm	35.000 rpm
손실(W) ↓	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명	종래기술	본 발명
맴돌이전류	51	10	77	22	103	33
히스테리시스	27	39	55	63	88	81
총 손실	78	49	132	85	191	114
개선 :		1.6 : 1		1.6 : 1		1.7 : 1

Claims

자기 베어링에 있어서,

고정자와,

상기 고정자에 대해서 동심으로 배치되어 있으며, 상기 고정자에 대해서 회전하고 상기 고정자와의 사이에 회전자/고정자 갭을 갖는 회전자와,

상기 갭을 따른 임의의 점을 향해 배향될 수 있는 배향성의 이극성 자기장 분포를 상기 갭을 따라 제공하며 상기 고정자상에 배치된 권선 수단을 포함하는 자기 베어링.
제 1 항에 있어서,

상기 권선 수단은 적어도 두 개의 위상을 포함하는 자기 베어링.
제 1 항에 있어서,

상기 갭을 따른 이극성 자기장 분포는 실질적으로 사인곡선인 자기 베어링.
제 1 항에 있어서,

상기 고정자는 복수개의 고정자 치형부와 복수개의 고정자 슬롯을 포함하며 상기 슬롯은 각각 인접한 상기 고정자 치형부 사이에 있는 자기 베어링.
제 4 항에 있어서,

상기 고정자는 16 슬롯을 포함하는 자기 베어링.
제 4 항에 있어서,

상기 회전자/고정자 갭에 있는 상기 슬롯은 상기 회전자의 손실을 최소화하도록 최소 거리로 설정되는 자기 베어링.
제 1 항에 있어서,

상기 회전자/고정자 갭을 가로지르는 자기력 바이어스 자속을 상기 회전자 수단과 상기 고정자 수단 사이에 발생시키는 바이어스 자속 수단을 더 포함하는 자기 베어링.
자기 베어링에 있어서,

복수개의 고정자 치형부와 복수개의 고정자 슬롯을 가지며, 상기 슬롯이 각각 인접한 상기 고정자 치형부 사이에 존재하는 고정자와,

상기 고정자에 대하여 동심으로 위치되며, 상기 고정자와의 사이에 회전자/고정자 갭을 가지는 회전자와,

상기 갭을 따른 임의의 점을 향해 배향되는 배향성 이극성 자기장 분포를 상기 갭을 따라 제공하도록 상기 고정자 슬롯을 통해 감겨있는 고정자 권선을 포함하는 자기 베어링.
제 8 항에 있어서,

상기 권선은 적어도 두 개의 위상을 포함하는 자기 베어링.
제 8 항에 있어서,

상기 갭을 따른 이극성 자기장 분포는 실질적으로 사인곡선인 자기 베어링.
제 8 항에 있어서,

상기 고정자는 16 슬롯을 포함하는 자기 베어링.
제 8 항에 있어서,

상기 회전자/고정자 갭에 있는상기 슬롯을 상기 회전자의 손실을 최소화하도록 최소 거리로 설정되는 자기 베어링.
제 8 항에 있어서,

상기 회전자/고정자 갭을 가로질러 자기력 바이어스 자속을 상기 회전자 수단과 상기 고정자 수단 사이에 발생시키는 바이어스 자속 수단을 더 포함하는 베어링.